基于环境温度变化的热负荷预测研究

摘要：本文主要通过分析我国热电联产供热现状，基于预测热负荷的技术原理和理论计算，研究一种简单、实用、精确度高的热负荷预测模型，根据预测结果指导电厂优化控制过程。逐步提高建筑供热品质并且满足热用户用热需求，并且实现了节能的目的，具有良好的经济价值和社会价值。

关键词：热负荷预测；建筑围护；数学模型；环境温度

一、前言

随着我国建筑行业的快速发展，建筑能耗占全国能耗总量的比例也越来越高，预计到2025年底，建筑能耗所占比例将达到三分之一以上。其中，供暖所需能耗是建筑节能中最重要的部分，是同纬度的一些发达国家的2～3倍，因此必须作为建筑节能工作的重点哉构ぷ鳌N了实现供热行业节能减排，城市集中供热慢慢成为北方冬季采暖的主要形式。集中供暖系统是一个非常复杂的多变量控制系统，供热面积大，影响因素多，滞后时间长，强烈的相互关联，严重的非线性特征，因此在供热系统运行调整过程中热用户预测是非常重要的。我国的供热事业在以前没有受到重视，但是现在发展非常迅速，近些年来，国内对供热负荷预报的研究也取得了一些重要成果。朱学莉等【1】提出一种用时间序列法建立 AR-MA 模型（自回归滑动平均模型）的一种新的负荷预测方法来描述供热负荷预测过程；胡文斌等【2】分析了城市供热负荷特征，根据城市供热的负荷的特征，采用灰色系统方法。但这些方法各有利弊。

供热系统热负荷预测是一个非常重要的初步工作，有效地预测方法会使预测更准确，进而合理指导供热，提高供热质量，降低能源浪费。本文研究一种简单、实用、热负荷预测精度高的数学模型为集中供热系统热负荷预测进行理论指导。

二、基于温度变化预测热负荷的技术原理

1、负荷变化对供热影响的研究

季节性热负荷变化主要取决于冬季和夏季两者之间的室外温度的差异，结合所需的楼内恒定的温度。每日热负荷变化取决于居民的热负荷使用情况，一般在早上和下午出现一个高峰期。这里也会产生每日物理热负荷变化，如夜间室外温度通常比白天的热负荷变化气温更低，太阳辐射也减少白天热负荷。

2、热负荷预测技术

热负荷预测技术有很多，重点介绍以下两种：

（1）时间序列预测。实际问题，观测值序列的对象构成大多数预测广义平稳随机序列或可以转化为平稳随机序列。根据这一原理建立和估计实际序列生成一个随机过程模型，并使用它进行负荷预测。缺点是没有考虑负荷变化的情况下，改变只适用于短期预测更均匀的负荷，

（2）灰色预测。灰色系统理论的灰色预测技术，可在数据不多的时候在某个时期内找到发展规律，建立负荷预测模型。基本上是一些已知的序列数据处理通过一定的方法将从分散的状态转向有规律一面，然后使用微分方程拟合的外延预测。此法适用于短期负荷预测，并且是在研究和实践阶段。

三、热负荷的理论计算

1、热负荷预测分析

在一定供热流量及供热压力下，电负荷可在一定范围内进行调整，该负荷调整范围就是供热机组的电负荷调峰范围。

2、数据采集

选择代表性电厂，收集其供热机组设计资料、供热设备状况、工业热负荷和采暖热负荷介质、参数、方式等，同时对其电厂某年度采暖相关数据进行了采集、整理、分析。

3、异常数据的识别和处理

（1）对原始数据进行检验，如数据缺失，确定出空缺数据。

（2）通过实地的调研，确定出哪些热负荷值是异常值。

对异常数据的处理主要有以下三种方法：

a.用前后相邻两日或两时刻的热负荷数据的平均值对异常数据进行补全或修正。

b.根据运行管理人员、科研工作者的经验对异常数据进行补全或修正。

c.使用插值算法对异常数据进行补全或修正。

4、理论计算

当外界环境温度变化时，建筑物的实际散热量为

式中 Q-供暖系统实际散热量； -围护结构实际耗热量（修正耗热量）； -冷风渗透（侵入）实际耗热量。

实际供暖量为

式中 K-热网整体换热系数； -热网换热的对数温差；Fs-汽侧传热面积。

当供热稳定后，可认为实际供暖量和实际耗热量达到了动态的平衡，即Q=Qg。由此联立，得到热网整体换热系数K的函数为

该函数中 都已选定；当室外温度一定时， 可查； 也可根据建筑面积、建筑物的标高、建筑的窗墙面积比等数据获得。tn-实际室内温度；tw-实际室外温度

四、建立数学模型和预测结果的验证

1、建立数学模型

热电厂的任务是根据用户的需求，向热、电用户供应适量的热能和电能。热电联产机组负荷优化分配的实质是在全厂热、电负荷需求总量确定的情况下，根据各机组的特性，将负荷合理分配到各个机组，则目标函数为：

式中 Dn -疏水流量；Dc-抽汽流量；hc-饱和焓；hn-疏水焓；Fs-汽侧传热面积；aw-凝结放热系数；ts-汽侧饱和温度；tm-管壁温度；

通过数学模型的计算，我们得到采暖量关于环境温度的关系曲线：y=9.8711x+177.68。

2、验证供热机组预测采暖变量

对2015-2016年度采暖期某电厂预测采暖量和实际采暖量数据及其相对误差进行了对比分析，可看出机组实际采暖量都是在热负荷预测值附近波动，基本上是准确。采暖量的波动是由于实际热网给水流量与预测量存在一定偏差引起的。但从整体趋势上来看，通过环境温度的变化预测供热量是可行的。

五、结论

本文解决当外界环境温度变化时，热电联产机组的热负荷需要如何变化的问题，根据变化，建立数学模型，实现热负荷预测，做了一些深入研究，主要结论如下：

（1）通过对热网整体换热系数的研究，以及采暖期供热数据的分析，找出K值大小、特性及变化规律，借助于天气预报的气温数据，预测出不同环境温度下所需的热负荷。

（2）利用代表性电厂供热式汽轮机工况图，并结合供热量的预测，实现汽轮发电机组输出电功率的预测。在此基础上，总结提出了一种用于供热机组采暖期调峰能力预测的方法，并对代表性供热机组供热期的调峰能力做出了预测，验证了预测的准确。

此项目的具体实施对指导供暖期供热机组调峰工作提供了重要的参考数据，能进一步挖掘供热机组的调峰潜力，有利于国家地区电网安全稳定运行，为未来供热机组以热定电、按需用能、节能降耗开辟新的领域。

参考文献

【1】朱学莉，齐维贵.建筑供热负荷预防与预测控制策略研究[J].控制与决策，2002，17（B11）：703-706

【2】胡文斌，华贲，杨昌智，等.灰色理论在城市供热负荷预测中的应用[J]. 煤气与热力，2002，（01）：28-31

《基于环境温度变化的热负荷预测研究》作者简介：邵东洋（1994―），男，黑龙江省齐齐哈尔市，东北电力大学能源与动力工程学院热动138班学生，研究方向：热动与动力工程

马书生（1992―），男，吉林省德惠市，东北电力大学能源与动力工程学院助教，研究方向：动力工程及工程热物理